Įvadas į tuščiavidurių pluošto komponentų principą

1. Fonas

Tuščiaviduriai pluošto komponentai yra naujos rūšies pluošto medžiaga, kurią sudaro tuščiavidurė kelių celiuliozės ar mineralų sluoksnių struktūra. Ši medžiaga pasižymi mažo tankio, aukšto specifinio paviršiaus ploto ir didelio poringumo savybėmis, todėl ji plačiai naudojama filtravime, atskyrime ir adsorbcijoje.

 

Per pastaruosius kelis dešimtmečius tuščiavidurių skaidulų komponentai buvo plačiai naudojami daugelyje sričių, tokių kaip biomedicina, maistas ir gėrimai, aplinkos apsauga ir chemijos pramonė. Pavyzdžiui, biomedicinos srityje tuščiavidurių skaidulų komponentai naudojami biofarmacijos produktų ir bioreaktorių paruošimui. Aplinkos apsaugos srityje tuščiaviduriai pluošto komponentai naudojami vandens valymui, nuotekų valymui ir oro valymui.

 

Tuščiavidurio pluošto komponentų fonas yra labai turtingas. Jis ne tik buvo plačiai patikrintas programose, bet ir turi gilų tyrimų fondą medžiagų mokslo ir skaidulų technologijos srityse. Dėl savo unikalios struktūros ir našumo tuščiavidurių skaidulų komponentai turi didelį potencialą ir ateityje ir toliau vaidins svarbų vaidmenį.

2. Principas

Membranos atskyrimo technologijos apibrėžimas:

Filtro membrana: plona plėvelės medžiaga, pagaminta iš porėtų polimerų su vienu ar keliais sluoksniais;

Membranos atskyrimo technologija: atskyrimo technologija, kuri naudoja išorines sąlygas, tokias kaip slėgio skirtumas ar koncentracijos skirtumas, kaip varomoji jėga, leidžianti praeiti tik tam tikras specifines medžiagas keliuose komponentuose, o kitos medžiagos yra perimtos; Paprastai naudojami mišinių atskyrimui, gryninimui ir koncentracijai.

 

Filtravimo metodas:

Nenuoseklios srovės filtravimas: taip pat žinomas kaip filtravimas „Dead-end“, tiekimo skystis srautai statmena filtro membranos paviršiui, visi skysčiai praeina per filtro terpę, o teršalai laikomi filtro membranos viduje arba ant paviršiaus.

Pvz.: Paaiškinimo filtravimas, priešpiltavimas, sterilizacijos filtravimas, viruso pašalinimo filtravimas, vakuuminis filtras, daugiausia koncentruotas į mikrofiltracijos kategoriją.

 

Tangentinio srauto filtravimas: dar žinomas kaip kryžminio srauto filtravimas, tiekimo skystis teka lygiagrečiai su filtro membranos paviršiumi, dalis skysčio praeina per filtro terpę, o teršalai yra laikomi filtro membranos paviršiuje arba refliuksą iš kito membranos galo.

 

Pvz.: Membranos paketas, tuščiavidurio pluošto ultrafiltracija, daugiausia koncentruota į ultrafiltracijos kategoriją.

TFF filtravimo savybės:

Tangentinio srauto filtravimo (TFF) veikimo principas yra tas, kad tirpalas teka kryptimi, lygiagreti membranai. Esant slėgiui, molekulės, mažesnės už membranos poras, praeina per membraną ir tampa prasiskverbusios, o molekulės, didesnės už membranos poras, yra išlaikomos ir tampa koncentratu.

 

Koncepcijos, susijusios su tuščiaviduriais pluoštais:

Transmembraninis slėgio skirtumas (TMP): Vidutinis slėgio skirtumas abiejose membranos pusėse yra varomoji jėga skysčiui praeiti pro membraną. Transmembraninis slėgio skirtumas=(PIN + pretturnas) / 2- ppermeate

Srautas: skysčio kiekis, praeinantis per membraną membranos vieneto plotui per laiką. Lmh, l/(m2.h)

Normalizuotas vandens srautas (NWP: normalizuotas vandens pralaidumas): Vandens srautas esant vienetui slėgiui ir standartinei temperatūrai. L/(m2.h.psi)

Molekulinės masės ribos (MWCO): apibūdina ultrafiltracijos membranos porų dydį.

Minimalus darbinis tūris: Minimalus tangentinio srauto filtravimo sistemos darbinis tūris reiškia cirkuliuojantį skysčio tūrį, reikalingą sistemai valdyti konkrečiomis tangentinio srauto sąlygomis. Minimalus darbo tūris priklauso nuo sistemos ir komponentų sulaikymo tūrio ir cirkuliacijos srauto. Didelės koncentracijos programose, tokiose kaip viruso koncentracija, svarbus aspektas yra minimalus darbo tūris, o tikslinės refliukso koncentracijos tūris turi būti didesnis nei minimalus sistemos darbinis tūris.

Šlyties greitis: skysčio srauto greičio pasikeitimo greitis, palyginti su apskrito srauto kanalo spinduliu. Skirtingai nuo membranos paketo, atliekant tuščiavidurio pluošto eksperimentus, vietoj tangentinio srauto dažniausiai naudojamas šlyties greitis, kad būtų galima apibūdinti cirkuliacijos srautą lygiagrečiai membranai.

Koncentracijos poliarizacija: ultrafiltravimo proceso metu tirpios medžiagos, kurios negali praeiti pro membraną, kaupiasi ant membranos paviršiaus esant slėgiui, kad sudarytų gelio sluoksnį. Koncentracija teritorijoje, esančioje šalia membranos sąsajos, didėja ir didesnė. Esant veikiant koncentracijos gradientui, tirpalo difuzija nuo membranos paviršiaus iki tirpalo padidėja, o tai padidina skysčio atsparumą ir vietinį osmosinį slėgį, todėl sumažėja srautas.

Gelio sluoksnis: Tai yra pagrindinis ultrafiltracijos membranų atsparumo veiksnys.

 

Veiksniai, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis tuščiavidurius pluošto membranas:

1. Membranos formos pasirinkimas: Paaiškintam mėginiams, gausu dalelių, turi didelį klampumą ir jai reikia mažos šlyties jėgos koncentracijos, pavyzdžiui, didelių dalelių viruso molekulės, kurių stabilumas yra mažas, tuščiavidurių skaidulų membranos paprastai pasirenkamos paaiškinimui/koncentracijai ir diafiltracijai;

2. Pluošto skersmens pasirinkimas: 0. 1. 0 mm vidinis skersmuo yra pirmenybė norint paaiškinti mėginį;

3. Filtravimo tikslumo pasirinkimas: tuščiavidurio pluošto membranos porų dydis paveiks jos filtravimo tikslumą. Tinkamas porų dydis turėtų būti pasirinktas atsižvelgiant į konkrečios programos reikalavimus, kad būtų užtikrintas veiksmingas tikslinės medžiagos filtravimas. Toliau pateikiamos kelios bendros programos parinktys:

① Koncentracija/diafiltracija: norint efektyviai perimti tikslinę molekulę ir užtikrinti išeigą, paprastai rekomenduojama išimtis, membranos porų dydis 1/3-1/5. Tuo pačiu metu, siekiant sumažinti priemaišų kiekį koncentracijos ir diafiltravimo proceso metu, porų dydis turėtų būti kiek įmanoma didesnis, jei tikslinės molekulės išeiga garantuojama;

② Paaiškinimas: Rekomenduojama pasirinkti membranos porų dydį, kuris yra 5-10 kartų didesnis už tikslinę molekulę, kad būtų užtikrintas kiek įmanoma daugiau tikslinės molekulės išeiga, ypač jei mėginys yra labai „nešvarus“, reikėtų pasirinkti daugiau nei 10 kartų membranos porų dydį;

③ Molekulinis atskyrimas: Jei norite naudoti tangentinio srauto filtravimo membraną, kad atskirtumėte dvi skirtingų dydžių tikslines molekules, tikslinės molekulės molekulinė masė turėtų būti bent 10 kartų skirtingi, o diafiltracija turėtų pakakti;

④ Ląstelių surinkimas: Jei tikslinis baltymas yra ekspresuojamas E. coli maiše, pirmas žingsnis bakterijoms surinkti yra ultrafiltracijos membrana - 500K/750K.

 

4. Efektyvusis ilgis: tuščiavidurių pluoštų proceso amplifikacijos ypatybė yra ta, kad tol, kol efektyvusis ilgis yra pastovus, galima atlikti tiesioginį proceso amplifikaciją. Tačiau skirtingo ilgio komponentai negali būti tiesiškai sustiprinami dėl reikšmingo slėgio kritimo skirtumo abiejuose galuose, o vidinis srauto kanalo slėgio ir srauto greičio pasiskirstymas taip pat atitinkamai keičiasi. Paprastai komponentai, kurių srauto kanalo ilgis yra trumpesnis, dažniausiai būna parinkti gydant medžiagas, turinčias didelį klampumą ir didelę užsiteršimą.

 

Tuščiavidurio pluošto komponentų taikymas

Taikymo sritys:

Skiepymo valymas, koncentracija ir dializė

Virusinių vektorių gryninimas, koncentracija ir dializė

Ląstelių ir bakterijų išaiškinimas ir filtravimas fermentacijos sultinyje

Ląstelių ir bakterijų atsigavimas ir plovimas

Baltymų koncentracija ir dializė

Produkto savybės:

Mažesnis srautas nei membranos paketai

Švelnus medžiagoms

Paprastas ir atviras srauto kanalas

Lengva surinkti

Lengva ištuštinti

MWCO pasirinkimas:

Būtina atsižvelgti į membranos atskyrimo selektyvumą ir užsikimšimo riziką gydymo proceso metu. Todėl, atsižvelgiant į selektyvumo ir srauto užtikrinimą, membranos, turinčios palyginti mažas poras, turėtų būti kuo labiau parinktos, kad būtų sumažintas lėtas priemaišų dalelių patekimas į membranos poras ir prailginti aptarnavimo tarnavimo laiką. Įprasti apdorojimo scenarijai yra šie:

Viruso koncentracija, apsivalymas, pašalinimas: 100 kd, 300 kd, 500 kd, 750 kd

Rekombinantinio baltymo/antikūnų paaiškinimas: 500kd, 750kd

Bakterijų koncentracija: 500 kd, 750 kd